混杂纤维材料加固钢筋混凝土结构技术现状

2016-05-25汪杉陈中瀚

科技视界 2016年12期

汪杉　陈中瀚

【摘要】纤维材料（ERP）加固是现代土木工程应用中最具有前景的加固技术，而混杂纤维（HFRP）是未来加固技术中占据主导地位。本文结合现有的最新的研究资料分析了HFRP加固钢筋混凝土结构技术现状并对其应用前景做出了展望。

【关键词】混杂纤维；加固；钢筋混凝土结构

0 引言

为了解决日渐严峻的加固改造问题，国内外的学者们进行了大量的研究也得出了出了一些相应的解决方法包括：增大截面法、预应力法、粘钢加固法、增设支点加固法、托梁拔柱法、锚固法等。这些传统的加固方法在实际工程应用中得到大多学着肯定，加固过后的建筑的承载力、刚度、抗震性能等得到一定程度的提高，但是也存在着或多或少的缺陷。例如损害伤了建筑的结构原貌、减小了使用空间、增加了结构荷载、增长后期维护作业的工作量和时间、影响正常生产和工作等。因此工程中需要效果更好，更新型的加固技术。随着我国建筑行业的不断发展，纤维材料的价格下降，新型的建筑材料逐渐出现在大家的视野中。纤维增强复合材料加固技术迅速成为国内外学者和科研人员的研究热点。受粘贴钢板加固法的影响，在20世纪70年代，有学者把研究出的玻璃纤维聚合物GFRP应用于加固工程中，它的线膨胀系数和混凝土相近，因此能很好的和混凝土共同作用。但是因为其弹性模量较小、耐久性和稳定性不够理想，没能大范围的推广使用。1980年后，从航空和军事科技领域借鉴到一些新材料碳纤维增强复合材料简称CFRP，它较GFRP有轻质高强、弹性模量高、较好的抗震性和施工方便等特点，在当时就掀起了一股研究热潮。随着研究的深入出现了芳纶纤维（AFRP）和玄武岩纤维（BFRP）复合加固单一纤维材料。到21世纪初我国研究单一纤维材料技术方面已经比较成熟并制定了相关的规范。但由于单一的纤维材料技术总存在着一些缺陷。为了优化最佳的纤维加固技术，有学者就提出混杂技术，即各取所需，扬长避短，使每种材料都发挥到最大性能，理想状态是，既有CFRP的高弹性模量又有GFRP的低造价等特点。新型的混杂纤维加固钢筋混凝土结构是一个值得深入研究的问题。

1 混杂纤维加固钢筋混凝土结构技术现状

1.1 加固钢筋混凝土梁

从单一纤维到混杂纤维，对加固钢筋混凝土梁的抗弯、抗剪，始终是国内FRP加固钢筋混凝土结构中研究最多的一个方向。熊光晶[1-2]等首次提出混合采用玻璃纤维布和碳纤维布对钢筋混凝土梁进行加固的思路，并进行了用了高强玻璃纤维、碳纤维混杂材料加固混凝土梁的抗弯试验研究，为了更合理的评价试件的延性，重新定义了挠度延性和能量延性。试验表明，在保证提高承载力的前提下混杂纤维加固梁的挠度延性、能量延性分别比碳纤维加固梁高89.5%和57.9%，加固价格低38.2%，而刚度仅低10%分别仅比普通梁低13.7%和21.4%。有了这篇文章的启蒙，我国开始对混杂纤维加固梁开始了大量的研究，主要的方向有预应力混杂纤维和不同种类的纤维混合加固混凝土梁的抗弯、抗剪、疲劳以及二次受力研究。吴辉琴[3]等设计了10根CFRP与GFRP不同合成方式的HFRP加固，并用对比实验对混凝土梁不同的加固位置以及加载方式进行了更深入的研究表明：侧面加固梁抗弯补强与底面加固相比效果相差不大，但对裂缝的出现和开展抑制作用较好。持载作用加固梁比直接加载作用加固梁的抗弯承载能力略高一些。在此基础上他们开展了一系列理论研究分析了HFRP加固混凝土梁的破坏形态，建立了两种HFRP加固单筋矩形截面梁抗弯承载力的计算模型并提出了加固适筋梁的抗弯承载力的实用计算公式。随着新型无机环保绿色高性能纤维材料“玄武岩纤维”的出现，有关的研究也越来越受到人们的关注。陈绪军[4]等通过5根钢筋混凝土梁的变幅疲劳试验，研究碳/玻璃混杂、碳/玄武岩混杂纤维布加固梁的弯曲疲劳性能。实验结果表明，粘贴混杂纤维布较玄武岩纤维布更能提高梁的抗疲劳性能和延长梁的使用寿命。并用RMS法估计经纤维布加固的变幅疲劳梁的疲劳寿命，得到精度较高可控实际工程使用的S-N曲线。

1.2 加固钢筋混凝土楼板

板由于种种原因出现承载力不足的问题，需要进行加固，通过研究表明，用FPR加固结构板能够提升板承载力，所以广大研究者针对混杂纤维加固板结构进行了深入的研究。在以往的这方面研究中，主要都是研究混杂纤维加固普通混凝土板、单项受力板的各种性能，在现今几年中又出现了对混杂纤维加固钢板剪力墙的这种非单向受力板结构的各种性能的研究。在彭晓彤[5]用有限元分析和非线性分析的方法对混杂纤维加固剪力钢板结构的抗震性能进行了研究。实验结果表明，混杂纤维的加固效应比单一纤维较好，混杂纤维既保留了混杂的各种纤维各自的优点，同时还获得了更为优异的综合性能，荷载有不同纤维共同承担，能够发挥出不同种纤维的优势。试验中纤维加固后的试件相比参考试件抗拉抗压能力都有显著的提高，增大了钢板的屈服极限，增加了钢板使用范围。

1.3 加固钢筋混凝土柱

随着科技和时代的发展，大跨度、大空间型的建筑频频出现，而这些建筑往往避免不了设立大量的钢筋混凝土柱。但钢筋混凝土柱在长期腐蚀、碰撞等不利地效应下，往往需要进行加固处理，传统的加固方式造价高，不宜操作，单一纤维加固鲜果也受到单一纤维性质的局限，而采用混杂纤维片进行柱体结构加固具有可行性高、造价低、等特点，也有不错的结构抗压效应和抗剪效应效果。尹毓良[6]对单一纤维和混杂纤维加固的短柱进行了轴心受压和偏心受压的物理效应做了对比分析研究。实验结果表明，相对于不加固的的混凝土短柱、加固的短柱达到应力极限时不会成爆裂性破坏，而是随着纤维布的破坏而逐渐破坏，而且极限应力提高。通过对不同混凝土形状和纤维成分比较实验得知混凝土形状为无倒角，相对脆性的纤维材料更适宜作为抗压加固材料。混杂纤维由于其良好的抗剪作用而可以增强加固结构抗震的效果，李刚[7]通过对破坏形式、试验研究、有限元模拟、抗震性能评估等方面研究了混杂纤维加固柱的抗震效果。研究表明，FRP 的种类对加固柱的延性会产生影响，FRP的极限应变越大，加固柱的延性越好但对极限承载力影响不大；采用FRP加固短柱相当于增加了配箍率使柱的抗剪承载力得到提高可以有效改善其的抗震性能，采用 GFRP筋和CFRP布加固的混凝土柱较仅采用 CFRP 布加固的混凝土柱位移延性系数提高最大，达到51.7%，植GFRP筋的混凝土柱位移延性系数提高22.3% 组合加固技术在保持其承载能力的同时提高了混凝土柱的位移延性，加固效果好于仅采用 CFRP 布或 GFRP 筋加固的混凝土柱。

1.4 加固钢筋混凝土节点、框架

在以往对节点、框架的研究中，多是对混杂纤维加固节点和框架在抗震性能方面的研究，主要是在混杂纤维的回滞系数、恢复力、耗能和加固的结构的刚度退化程度、承载力等方面上的研究。近些年来，研究者们依旧在上述几个方面对混杂纤维加固结构进行研究，当然，也有新的研究模式，比如对纤维类型、加固方式、粘贴厚度等因素，对加固后节点受力性能的影响的和各因素对节点受力性能的影响规律的研究。杨曌[8]等对不同纤维类型、不同纤维加固方式、不同纤维粘贴厚度进行加固的节点试件进行实验力学研究，得出：单一纤维加固的屈服荷载、屈服位移、极限位移提高值都高于混合纤维，但是混杂纤维的极限荷载、极限荷载提高率、位移延性系数都高于单一纤维。采用仅在节点受拉面上布置纤维或者既在受拉面上布置也环绕节点布置时，对提高节点的延性均很有效果。黏结厚度的增加，会相应增加黏结界面的剪应力，导致加固过早失效。当然近年来依旧有对混杂纤维加固节点的抗震性能的研究。马明[9]等通过对混杂纤维加固的平面框架梁柱边节点的抗震性能的试验，对实验结果采用静力非线性分析和有限元法分析的方法研究了混杂纤维加固框架节点的物理性能。在实验结果中，单一纤维与混杂纤维对加固节点屈服荷载的贡献都相差不大；混杂纤维对试件极限承载力的提高幅度优于单一纤维，具有更好的抗震性能。在延性和耗能方面，与参照试件对比，单一纤维节点加固试件的延性系数提高1.64倍，混杂纤维加固节点位移延性系数分别为未加固节点试件的 1.94和2.11倍。可以看出混杂纤维加固要优于单一纤维加固。

2 混杂纤维自身特性研究技术现状

2.1 混杂纤维合理配比

混杂纤维是解决单一纤维突出缺点的有效途径，它能充分发挥单一纤维材料的优势，扬长避短，并且可能表现出特有的性质。混杂纤维在发挥其高强、轻质等特点的时候很重要的因素就是其合理配比，由于混杂纤维的混杂材料和混杂方式都是不确定的，不同的材料和方式会产生不同的混杂效果，不一定混杂后就能达到预期的效果。国内外许多学者对这进行研究和分析但它的不确定性给研究带来很多种可能。纪梓斌[10]对CF和S-GF材料进行混合时，当CF体积分数为0.198和0.247的HFRP强度高，延性好并且价格低，但刚度略低，匹配相对合理。

2.2 混杂纤维的耐久性、徐变性

混杂纤维加固混凝土结构，除了要求加固后的结构能够承受更多的荷载外，还要求其能够使用更长的时间，或者说是能够在一定比较长的时间内保持力学特性，所以对于混杂纤维加固的结构的耐久性、徐变性的研究一直都未间歇过。徐娜[11]等通过ANSYS软件对施加低周反复荷载的混杂纤维加固的混凝土柱进行刚度退化和抗剪作用进行了分析，研究结果表明，随着荷载的增加，等效粘制阻尼系数急剧增加，破坏附近变化不大，但参入混杂纤维的系数增加幅度要远大于未参入混杂纤维的试件，可以得出混杂纤维加固能提升混凝土柱的耐久性；混凝土柱的刚度退化均是屈服前较快，屈服之后速度减缓，混杂纤维的参入能够有效地减缓混凝土柱的刚度退化效应，而且减缓作用随着纤维参入量的增加而增强。在王学志[12]等中通过研究玄武岩纤维-聚丙烯纤维混杂纤维的抗冻性、抗渗性来评价混杂纤维加固构件的耐久性性能。研究表明，随着该混杂纤维的参量增加，试件的抗冻性和抗渗性反而减小，而单参入纤维反而增加，证明该混杂纤维耐久性比该混杂纤维的组成纤维单独使用的耐久性弱；多参入玄武岩的混杂纤维比多参入聚丙烯的混杂纤维抗冻性和抗渗性强，说明该种混杂纤维的耐久性主要靠玄武岩纤维含量来决定；当玄武岩纤维和聚丙烯纤维等比例参入时，其抗渗性和抗冻性随着纤维参入量成正比，说明该种混杂纤维的性质可能会随着组成纤维参入比例改变而不同。

3 结语

目前在国内外学者对混杂纤维的研究看来混杂纤维加固钢筋混凝土的优势越来越明显，也在实际补强加固及震损加固工程中站主导地位。但其一些缺点的存在也让它的广泛普及受到了一定的限制。若想获得性能高的混杂纤维可以进行系统的实验研究得到最优纤维混杂比例，进一步明确它的力学性能和加固方式，并绘制图表建立统一的模型，便于工程实际应用。混杂纤维技术在加固钢筋混凝土具有其科学性、先进性、独特性使其将有广泛的应用前景。

【参考文献】

[1]熊光晶，姜浩，黄冀卓，等.混杂纤维布加固混凝土梁的试验研究[J].土木工程学报，2001，34.

[2]熊光晶，蒋小青，杨建中，等.高强玻璃纤维布碳纤维布混杂加固混凝土梁柱的试验研究[J].工业建筑，2001，33（9）：14-16.

[3]吴辉琴，程建棚，潘杰松，田毅，王鹏.混杂纤维加固混凝土梁抗弯性能试验研究[J].广西工学院学报，2011，06.

[4]陈绪军，李华锋，杨勇新，等.混杂纤维布加固混凝土梁抗弯疲劳性能试验研究[J].工业建筑，2012，42（6）：77-81.

[5]彭晓彤，王丙正.混杂纤维增强钢板剪力墙抗震研究方法[J].国家自然科学基金，2015，29（03）：168-171.

[6]尹毓良，张鸿梅.混杂纤维加固混凝土短柱抗压试验分析[D].延边大学，2012.

[7]李刚，姚谏.纤维增强复合材料加固混凝土柱的抗震性能研究现状[J].工业建筑，2012，42（02）：129-151.

[8]杨曌，李玉洁，武鹍，明方闯. FRP 加固梁柱节点受力性能的影响因素分析[J].建筑与结构设计，2015，01（001）：25-27.

[9]马明，彭亚萍.FRP 加固混凝土框架结构的抗震性能研究[D].济南大学，2010.

[10]纪梓斌.混杂纤维复合材料的合理匹配及其在混凝土结构加固中的应用研究[D].汕头大学，2004.

[11]徐娜，赵燕茹.低周反复荷载作用下混杂纤结混凝土柱抗震性能有限元分析[D].内蒙古工业大学，2014.